Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru®
реклама
Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок Содержание Оглавление Оглавление...2 Список обозначений...4 Введение...6 1. Обзор исследований...9 1.1. Методы исследования динамики паровых пузырей при кипении...9 1.2. Результаты исследования колебаний границы раздела фаз при кипении...15 1.3. Представления о физике кипения и колебаниях границы раздела фаз...28 2. Экспериментальное исследование колебаний границы раздела фаз при кипении...53 2.1. Методика экспериментального исследования колебаний границы раздела фаз при кипении...53 2.2. Экспериментальная установка для исследования колебаний границы раздела фаз при кипении...60 Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок 2.3. Методика проведения опытов...66 3. Моделирование колебаний границы раздела фаз при кипении...69 3.1. Математическая постановка задачи о колебаниях границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева...69 3.2. Верификация математической модели колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева...76 4. Результаты исследования колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева...79 4.1. Результаты исследования колебаний границы раздела фаз при кипении и их анализ...79 4.2. Результаты расчетов по модели колебаний границы раздела фаз при росте парового пузыря на поверхности нагрева...93 Выводы...104 Список исполльзованной литературы...106 Приложения...114 П.1. Влияние градиента температуры жидкости на показания фотодатчика...114 Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок П.2. Программа обработки сигналаоптического датчика и расчета характеристик пузырькового кипения по предложенной модели...117 П.З. Оценка погрешности измерения отрывного диаметра парового пузыря...124 П.4. Оценка погрешности измерения коэффициента теплоотдачи...125 Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок Список обозначений т Температура, К AT Разница температур, К q Тепловой поток, Вт/м2 р Давление, Па р Плотность, кг/м3 t Время, с р Давление в жидкости, Па о Коэффициент поверхностного натяжения, Дж /м Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) a Коэффициент температуропроводности, м2/с ср Коэффициент теплопроводности, Дж/(кг-К) R Радиус парового пузыря, м Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок Коэффициент динамической вязкости жидкости, Па-с г Удельная теплота парообразования, Дж/кг е Краевой угол, ° (градус) я Коэффициент линейного натяжения, Дж /м и Напряжение, В i Сила тока, А S Площадь поперечного сечения, м2 f Частота, Гц М Масса, кг F Сила,Н V Корреляционная размерность т Значение временной задержки, с Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок Индексы: нед недогрев п пар ж жидкость прис присоединенный пов поверхность вн внутренний н наружный с стенка Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок Введение Кипение - это физический процесс, который человечество использует с незапамятных времен. Тем не менее, до сих пор не существует теории кипения, и среди специалистов нет единого мнения по ряду основополагающих вопросов. Потребность в теории кипения велика: развитие энергетики, прежде всего атомной, но так же малой и альтернативной, теплотехники, электроники, автомобильной, авиа- и ракетной техники требует создания высокоэффективных теплообменных аппаратов кипящего типа и следовательно методов их расчета. Развитие экспериментальной техники и создание новых методов диагностики [1-10] показывает, что имеющиеся представления о процессе кипения нуждаются в корректировке. Расчетные формулы основаны на осредненных характеристиках процесса, рекомендованы для ограниченного диапазона параметров и не учитывают важные особенности процесса [1-10]. При исследовании процесса кипения обнаружена пространственно-временная неоднородность поверхности нагрева. Вследствие образования паровых пузырей наблюдаются хаотические колебания температуры поверхности [11, 48]. Поэтому условия для зарождения пузырей меняются. Тем не менее это не учитывается в моделях, предполагающих постоянство температуры стенки, и является одной из причин расхождения экспериментальных и расчетных данных по теплоотдаче [12]. С другой стороны, кипение зависит от смачивемости и микроструктуры поверхности [13]. Благодаря развитию компьютерной техники, экспериментальных методов исследования [1-10] и новых подходов в математическом моделировании [14, 15], появляется возможность учета микропроцессов на поверхности кипения и улучшение наших представлений о кипении. Фундаментальными вопросами в физике кипения являются зарождение, рост и отрыв от поверхности нагрева парового пузыря. Физические процессы, происходящие на этих стадиях, оказывают определяющее влияние на динамику паровых пузырей, а, следовательно, и на теплообмен при кипении. В ряде работ показано, что и при пузырьковом [16-31] и пленочном [5, 6] кипении как с недогревом, так и в состоянии насыщения возникают колебания границы раздела фаз. В случае пленочного кипения, вклад в коэффициент теплоотдачи составляющей теплового Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок потока за счет движения межфазной поверхности достигает 80% от общего значения [5, 6]. В этих работах были измерены толщины паровой пленки, что позволяло определить коэффициент теплоотдачи за счет молекулярной теплопроводности. Эта величина оказалась сопоставимой с суммарным коэффициентом теплоотдачи. Исследование колебаний границы раздела фаз при пузырьковом кипении начато в последнее время [16-28]. В работе [28] впервые получены экспериментальные данные по колебаниям парового пузыря, растущего на стенке. На данном этапе исследования этой проблемы необходимы накопление и анализ данных по характеристикам колебаний границы раздела фаз при кипении. Необходимо определить амплитудно-частотные характеристики колебаний границы раздела фаз. Эти данные можно будет использовать для учета вклада составляющей теплового потока за счет колебаний в общий коэффициент теплоотдачи. Наряду с этим представляет несомненный интерес исследование природы колебаний. Это создает возможности для разработки теории теплообмена при кипении с учетом колебаний границы раздела фаз. 1. Обзор исследований 1.1. Методы исследования динамики паровых пузырей при кипении При исследовании динамики паровых пузырей при кипении распространение получили оптические, акустические и тепловые методы исследований. С их помощью получают данные по таким внутренним характеристикам процесса кипения, как: • скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева; • отрывной диаметр пузырей; Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок • частота отрыва; • распределения температуры в кипящей жидкости вблизи стенки. Эти внутренние характеристики кипения оказывают существенное влияние на теплообмен, и поэтому представляют собой большой интерес для исследователей. Оптические методы Для исследования динамики паровых пузырей при кипении распространение получили оптические методы. Например скоростная кино- и фотосъемка. При применении данного метода процесс парообразования отображается на фото-, кинопленке, или на цифровом носителе. Затем, изображения обрабатываются и находятся упомянутые выше величины. При использовании оптических методов удается свести к минимуму воздействие на исследуемый процесс. При применении компьютера для обработки полученной информации, существенно снижаются трудозатраты по сравнению с ручной обработкой. Недостатком оптических методов является ограничение их применения только для малых тепловых потоков на стенке, так как при больших тепловых нагрузках и увеличении пристенного паросодержания, отдельные паровые пузыри сливаются между собой, образуют конгломераты В работе [1] впервые предложено использовать для исследования пленочного кипения пучок лазерного монохроматического излучения с небольшим расхождением. В этом случае лазерное излучение проходит вблизи поверхности нагрева, где преломляется, либо отражается от поверхностей раздела фаз (рис. 1 а). Прошедшее излучение падает на фотоприемник. Метод позволяет наблюдать за поведением границы раздела фаз на весьма малом расстоянии от стенки (до 10 мкм) и получать характеристики колебательного движения (толщина пленки, амплитуды и частоты колебаний). Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок С помощью сфокусированного пучка излучения измеряется функция распределения толщины паровой пленки. Для определения изменения толщины паровой пленки во времени используется видоизмененная методика [2,3] (рис. 1 б). По касательной, нормальной к образующей трубки, направляется пучок излучения прямоугольного сечения, вырезаемой с помощью вертикальной диафрагмы. Высота пучка излучения выбирается больше величины 5тах (максимальной наблюдаемой толщины паровой пленки). Благодаря этому часть пучка излучения проходит через жидкость, а часть падает на границу раздела. При движении границы раздела фаз сигнал фотодетектора меняется во времени. Связь между величиной сигнала и толщиной паровой пленки устанавливается с помощью тарировочной кривой. Радиационные методы Радиационные методы основаны на зондировании области вблизи поверхности нагрева, например, рентгеновскими лучами или тепловыми нейтронами. По изменению скорости и отклонению частиц от первоначальной траектории определяют характеристики паровых пузырей. Эти методы характеризуются высокой точностью измерений, однако трудна их реализация, поэтому применяются они достаточно редко. Акустические методы В данном случае источниками сигнала являются паровые пузыри, образующиеся на поверхности нагрева и генерирующие колебания давления в жидкости. В качестве приемников измерения давления в среде используются гидрофоны и датчики давления. При использовании акустических методов регистрируются: 1. интегральная интенсивность в заданной полосе частот; 2. звуковые импульсы, порождаемые отдельными пузырьками пара; 3. частотный спектр шума; 4. амплитудный спектр импульсов, генерируемых паровыми пузырьками. Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок Применяются следующие способы определения акустической интенсивности: механический, оптический, калориметрический и пьезоэлектрический. Последний способ основан на определении действующего значения звукового давления с последующим пересчетом на интенсивность. На практике чаще всего применяется пьезоэлектрический способ. Полученный сигнал обрабатывается с помощью спектрального и корреляционного анализа. Как правило, данный метод является дополнением к какому-либо оптическому методу, рассмотренному выше. Тепловой метод При применении данного метода изучаются пространственно-временные изменения температурного поля поверхности, на которой происходит кипение, и/или температурное поле в кипящей жидкости. Данный метод основан на использовании миниатюрных термопар. С помощью напыления исследователи создали термопары с размером спая в несколько микрон [7, 8]. Применение столь миниатюрных термопар позволяет получить подробное пространственновременное распределение температуры поверхности кипения (36 микротермопар на квадратный миллиметр и более, время отклика менее 0.1 мкс). Трудность представляет собой установка таких термопар. Другим вариантом теплового метода является применение специальных поверхностей, являющихся одновременно и поверхностью кипения и измерителем температуры. Использование «жидких» кристаллов позволяет получать представление о температуре поверхности кипения. Однако имеется ограничение температурного диапазона, в котором работают кристаллы. При применении данного метода необходимо проводить тарировку кристаллов и применять сложные методы видеосъемки исследуемой поверхности [9,10]. Наиболее успешными при изучении кипения оказываются различные комбинированные методы, позволяющие более детально исследовать динамику паровых пузырей. Перспективным представляется одновременное использование оптических, акустических и тепловых методов исследования. Таким образом, можно получить одновременно информацию по колебаниям температуры поверхности кипения, кинетике (регистрируемой Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок акустическим датчиком) и динамике (регистрируемой оптическим датчиком) отдельного парового пузыря. 1.2. Результаты исследования колебаний границы раздела фаз при кипении Для исследования колебаний границы раздела фаз при кипении в работах [1, 2] разработана методика лазерной диагностики кипения. Впервые она применена для исследования колебания толщины паровой пленки при пленочном кипении и с ее помощью измерена толщина паровой пленки [1 - 6]. С помощью данной методики обнаружены колебания толщины паровой пленки в широком диапазоне амплитуд и частот. В районе 100 Гц наблюдалось некоторое усиление пульсаций, в диапазоне 1—25 кГц наблюдались сложные колебания толщины паровой пленки с маленькой амплитудой. В случае пленочного кипения недогретой жидкости происходят уменьшение амплитуды колебаний границы раздела фаз и перераспределение энергии на спектрах в область более высоких частот. Определены условия, при которых на поверхности кипения существует пленочное кипение воды с четкой границей раздела фаз и получены данные по спектрам. В [5] впервые получены взаимные спектры колебаний толщины паровой пленки и давления в жидкости при квазистационарном пленочном кипении. Обнаружено, что наибольшая корреляция достигается в районе 0.5 - 2 кГц. Было установлено, что межфазный обмен импульсом и энергией определяется микропроцессами на границе раздела фаз. Как показано в [2, 5], колебания границы раздела фаз при пленочном кипении на горизонтальном цилиндре случайный процесс, и его параметры близки к нормальному распределению. Колебания толщины паровой пленки в свою очередь вызывают изменение давления в жидкости. На взаимных спектрах колебаний толщины паровой пленки и давления в жидкости обнаружены максимумы, что свидетельствует о связи между ними. В случае пленочного кипения недогретой воды максимумы на взаимных спектрах смещены в область низких частот (рис.2). Впоследствии с помощью этой методики проведены измерения скорости роста паровых пузырей на поверхности нагрева, отрывной диаметр пузырей, частота отрыва [33]. В работе [29] использован комбинированный оптико-акустический метод исследования динамики паровых пузырей при кипении жидкого гелия. Были получены фотографии растущего парового пузыря на поверхности нагревателя (рис.3) и зарегистрированы колебания давления в жидкости с большой амплитудой, вызванные его Материалы предоставлены интернет - проектом www.diplomrus.ru® Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок ростом и схлопыванием. Давление в опытах соответствовало температуре насыщения 1.9 К для гелия-2. Также в [29] получены фазовые портреты (рис.4), построенные по измеренным флуктуациям давления в жидкости, и вычислены значения показателей Ляпунова. Максимальный и средний показатели Ляпунова оказались положительными величинами, что свидетельствует о хаотических колебаниях давления в жидкости, вызванных ростом и осцилляциями единичного парового пузыря. Колебания давления наблюдаются в полосе частот от 2 до 300 Гц со степенным законом спада интенсивности по спектру. Отмечено, что колебания растущих и схлопывающихся паровых пузырей сопровождаются механическими вибрациями и шумом. Причины отмеченных явлений, однако, не указаны в работе.